KR20110081293A

KR20110081293A - Annular capacitor with power conversion components

Info

Publication number: KR20110081293A
Application number: KR1020117010778A
Authority: KR
Inventors: 테리 호스킹
Original assignee: 소여, 에드; 테리 호스킹
Priority date: 2008-10-30
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2011-07-13
Also published as: CN102217013A; EP2351058B1; CN102217013B; JP5689804B2; EP2351058A1; JP2012507979A; EP2351058A4; WO2010049764A1

Abstract

링 디자인에 의해 특별하게 허용되는 방식으로 배치 및 부착된 여러 전력 변환 요소를 구비한 환형 커패시터[폐쇄 경로 링 형상의 감겨진, 금속화 유전체 커패시터]로 이루어진 조립된 유닛이 형성되면, 보다 고 밀도의 컨버터 디자인[파워/유닛 볼륨]이 가능하게 된다. 커패시터 소자와 스위칭 반도체 사이의 최종 짧은 접속 경로는 또한 매우 낮은 인덕턴스 경로를 제공하며, 이 경로는 터언오프 di/dt의 결과로서 스위칭 반도체 상의 전압 스파이크를 최소화한다. 커패시터는 짧은 시간 전류 전원으로 사용되고 그리고 스위칭 반도체용 싱크(sink)로 사용된다. 기재된 구성으로써, 커패시터에 의한 RMS 전류가 분량적으로 보다 일정한 커패시터 상승이 보다 일정할 수 있다. 또한 기재한 바와 같은 단일의 커패시터는 복수의 별개의 커패시터가 평행하게 연결될 때, 종래 기술에서 종종 발생되는 버스 동조 문제점을 완화시킨다.When an assembled unit is formed of an annular capacitor (a closed, ring-shaped wound, metallized dielectric capacitor) with several power conversion elements placed and attached in a manner specifically permitted by the ring design, a higher density Converter design [power / unit volume] is enabled. The final short connection path between the capacitor element and the switching semiconductor also provides a very low inductance path, which minimizes voltage spikes on the switching semiconductor as a result of turn-off di / dt. The capacitor is used as a short time current supply and as a sink for switching semiconductors. With the described arrangement, the capacitor rise can be more constant, where the RMS current by the capacitor is quantitatively more constant. In addition, a single capacitor as described alleviates the bus tuning problem often encountered in the prior art when a plurality of separate capacitors are connected in parallel.

Description

Annular Capacitor with Power Conversion Components

본 발명은 전력 변환 전자 장치에서 DC 링크 커패시터처럼 사용되는 환형 인자의 커패시터에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 전력 스위칭 장치를 커패시터의 주위나 내측에 배치시키기 위한 배치 옵션에 관한 것으로서, 상기 커패시터는 주어진 커패시터 전류에 대해 상기 커패시터 내부 온도 상승을 가장 낮게 할 수 있다. 하부 내부 온도는 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 이들 구성의 옵션의 장점의 다른 한 방식은 주어진 온도 상승에 대해 보다 고 전류가 커패시터를 통할 수 있다는 것이다. 또한, 이들 배치 옵션에 의해, 전형적인 종래 기술과 달리 DC 링크 커패시터와 반도체 스위치 사이의 하부 인덕턴스 접속이 가능하게 된다.The present invention relates to an annular factor capacitor used as a DC link capacitor in power conversion electronics. More particularly, the present invention relates to a placement option for placing a power switching device around or inside a capacitor, where the capacitor can provide the lowest internal temperature rise of the capacitor for a given capacitor current. Lower internal temperatures can improve reliability. Another way of benefiting from the options of these configurations is that for a given temperature rise, a higher current can pass through the capacitor. In addition, these placement options allow lower inductance connections between the DC link capacitor and the semiconductor switch, unlike typical prior art.

DC 전압의 변환(conversion)이나 또는 DC에서 AC로의 반전(inversion)을 위해 폭넓게 적용되는 전력 변환 기술에 있어서, 전형적인 회로 배치는 스위칭 반도체 장치와 실제 가능한 가깝게 위치되는 커패시터를 사용하는 것이다. 이러한 커패시터는 스위칭 장치로 알 수 있는 바와 같이 DC 전원(DC source)의 임피던스를 감소시키는데 사용된다. 이러한 커패시터는 여러 이유 때문에 필요하게 된다.In power conversion techniques that are widely applied for the conversion of DC voltages or for DC to AC inversion, a typical circuit arrangement uses capacitors located as close as practical to the switching semiconductor device. These capacitors are used to reduce the impedance of the DC source as can be seen by the switching device. Such capacitors are necessary for several reasons.

1) 커패시터는 사용된 스위치 주파수에서 전류를 변환/반전 스위치에 공급한다. 이러한 커패시터는 다른 DC 전원으로부터의 고 주파수 전류를 제거하며, 이는 종종 상기 DC 전원의 라이프 타임과 신뢰성에 이롭지 않다.1) The capacitor supplies current to the conversion / inversion switch at the switch frequency used. Such capacitors remove high frequency currents from other DC power supplies, which often do not benefit the lifetime and reliability of the DC power supplies.

2) 커패시터는 스위칭 작동에 의해 야기된 대부분의 "노이즈"를 제거하고 상기 노이즈를 전력 변환/반전 외피부 내에 수용하는데 조력한다.2) The capacitor helps to remove most of the “noise” caused by the switching operation and to accommodate the noise in the power conversion / inversion shell.

3) 스위치로의 커패시터의 저 인덕턴스는 스위치 터언 오프 시간 동안에 상기 스위치에서의 전압 상승을 감소시키며, 이는 인버터/컨버터 디자이너에게 주된 문제이다.3) The low inductance of the capacitor to the switch reduces the voltage rise at the switch during the switch turn off time, which is a major problem for the inverter / converter designer.

이러한 커패시터는 또한 에너지를 저장하여, 짧은 기간의 DC 전원의 중단이 아웃풋을 중단시키지 않지만, 그 작동은 제시된 본 발명과 무관하다. These capacitors also store energy, so that short duration DC power interruptions do not disrupt the output, but their operation is independent of the present invention presented.

전력 변환/반전의 공지된 기술에 있어서, 본 출원에 사용된 커패시터는 "DC 링크 커패시터"로 알려졌다. 이러한 커패시터는 스위칭 주파수에서의 AC 전류의 크기에 기초하여 통상적으로 크기가 정해지며, 상기 AC 전류는 상기 커패시터에 의해 스위치에 반드시 공급되어야 하고 인가 DC 전원에 적용될 수 있는 최대 AC 전류로 공급되어야 한다. 대형의 전력 변환 시스템에 대하여, 2008년 10월 15일부터 상업적으로 이용가능한 커패시터 권선기는 DC 링크 커패시터 필요성을 만족하도록 충분히 큰 단일의 커패시터 소자를 권선할 수 없다. 적당한 커패시터가 2개 이상의 커패시터 권선부를 상호접속시킴으로써 만들어져, 필요한 전압을 얻으며 AC 전류 이송 요구조건을 만족할 수 있다. 이는 완전한 조립체가 전력 변환 시스템과의 접속을 위해 적어도 하나의 터미널 쌍을 구비한 금속이나 플라스틱 컨테이너 내에 포함된 상태로, 커패시터 제조자에 의해 행해질 수 있다. 또한, DC 링크 커패시터는 수 개의 적당하게 구성된 별개의 커패시터의 "뱅크(bank)"일 수 있다. In the known technique of power conversion / inversion, the capacitor used in the present application is known as a "DC link capacitor". Such capacitors are typically sized based on the magnitude of the AC current at the switching frequency, which must be supplied to the switch by the capacitor and supplied at the maximum AC current that can be applied to the applied DC power source. For large power conversion systems, as of October 15, 2008, commercially available capacitor winding machines cannot wind a single capacitor element large enough to meet the DC link capacitor needs. Appropriate capacitors can be made by interconnecting two or more capacitor windings to obtain the required voltage and to meet AC current transfer requirements. This can be done by the capacitor manufacturer with the complete assembly contained in a metal or plastic container with at least one terminal pair for connection with the power conversion system. In addition, the DC link capacitor may be a "bank" of several suitably configured discrete capacitors.

이들 제품(implementation)[내측 접속된 커패시터 권선부나, 또는 외측 접속된 커패시터]에 대하여, 각각의 커패시턴스 소자가 스위치 반도체로부터 각각의 커패시터 소자까지의 동일한 임피던스 연결부를 포함하기 때문에, 상기 각각의 커패시턴스 소자가 동일한 전류를 이송한다는 것을 거의 보장할 수 없다. 스위치에 가장 가까운 [이에 따라 최저 임피던스를 갖는] 커패시터 권선부는 전류를 불균형하게 이송하여 불균형한 가열을 초래한다. 스위치 반도체에 가장 가까운 커패시터는 최대 할당된 최종 AC 전류를 저장(capture)할 것이다.For these implementations (internally connected capacitor windings or externally connected capacitors), since each capacitance element comprises the same impedance connection from the switch semiconductor to each capacitor element, each of the capacitance elements It can hardly be guaranteed to carry the same current. The capacitor winding closest to the switch (and therefore with the lowest impedance) unbalances the current and results in unbalanced heating. The capacitor closest to the switch semiconductor will capture the maximum allocated final AC current.

조립된 DC 링크 커패시터 제품에 대한 종래 기술의 성능 한계는 대부분의 전류를 이송하는 커패시터 소자에서의 온도 상승이 전체 커패시터의 전류 이송 특성을 특징 지으며; 상기 커패시터 소자와 스위치 반도체 사이의 인덕턴스를 최소화하는 것이 어렵다.A prior art performance limitation for assembled DC link capacitor products is that the temperature rise in the capacitor element carrying most of the current is characterized by the current carrying characteristics of the entire capacitor; It is difficult to minimize the inductance between the capacitor element and the switch semiconductor.

사용자가 조립한 "커패시터 뱅크" DC 링크 커패시터에 대해, 동일한 문제점이 존재하며, 스위치 반도체에 가장 근접하여 위치된 뱅크에서의 개별 커패시터는 할당된 보다 많은 전류를 이송할 것이다. 이는 가장 근접한 커패시터가 전류 전원에 대해 최단 거리를 갖고, 이에 따라 회로에서 임피던스가 가장 낮기 때문이다.For user assembled "capacitor bank" DC link capacitors, the same problem exists, with individual capacitors in the bank located closest to the switch semiconductor will carry more current allocated. This is because the closest capacitor has the shortest distance to the current supply and therefore the lowest impedance in the circuit.

커패시터의 오랜 기간의 신뢰성은 전류 부하 조건 하에서의 커패시터의 최고온의 스팟과 관련이 있다. 결함과 이에 따른 고장이 이러한 영역에서 발생될 것이다. 따라서, 커패시터의 오랜 기간의 신뢰성은 상기 커패시터 내의 최고온의 스팟과 관련이 있다.Long term reliability of the capacitor is related to the hottest spot of the capacitor under current load conditions. Defects and subsequent failures will occur in these areas. Thus, the long term reliability of a capacitor is related to the hottest spot in the capacitor.

본 발명에 있어서, DC 링크 커패시터는 환형 인자의[링 형상의] 커패시터이다. 본 발명에 있어서, 파워 반도체 스위치는 스위치된 전류를 커패시터 형상부 영역 주위에 보다 고르게 분배시키는 방식으로 배치된다. 전류를 환 형상부 주위에 보다 고르게 분배시킴으로써, 임의의 하나의 접속점에서의 전류 밀도가, 커패시터에 부착되고 동일하게 배치된 접속점의 갯수 만큼 감소된다. 임의의 하나의 접속점에서의 이러한 감소된 전류 밀도는 주어진 총 커패시터 전류에 대해 임의의 지점에서의 보다 일정한 손실과 온도 상승의 감소 결과로서, 커패시터 내의 일정하지 않은 전류 밀도를 직접적으로 감소시킨다.In the present invention, the DC link capacitor is an annular factor [ring shaped] capacitor. In the present invention, the power semiconductor switch is arranged in a manner that distributes the switched current more evenly around the capacitor shape region. By distributing the current more evenly around the annular portion, the current density at any one connection point is reduced by the number of connection points that are attached to the capacitor and are equally arranged. This reduced current density at any one connection point directly reduces the non-uniform current density in the capacitor as a result of a more constant loss at any point and a decrease in temperature rise for a given total capacitor current.

본 발명의 하나의 장점은 주어진 스위칭 전류에 대해 열 소산이 적다는 것이다.One advantage of the present invention is the low heat dissipation for a given switching current.

본 발명의 다른 하나의 장점은 임의의 주어진 커패시터 전류에 대해 DC 링크 커패시터의 오랜 기간의 신뢰성이 증대된다는 것이며; 커패시터 신뢰성은 고온의 스팟 온도와 관련이 있고: 온도를 1OC 만큼 낮추면, 평균적으로, 신뢰성을 2배 만큼 향상시킬 수 있다.Another advantage of the present invention is that the long term reliability of the DC link capacitor is increased for any given capacitor current; Capacitor reliability is related to hot spot temperatures: Lowering the temperature by 1OC can, on average, double the reliability.

본 발명의 다른 하나의 장점은 ESL[Effective Series Inductance]가 매우 낮다는 것이다. 커패시터로부터 스위치까지의 거리가 짧으면 인덕턴스가 낮아져, 스위치 장치가 터언 오프될 때 상기 스위치 장치에 의한 전압 오버슈트(overshoot)를 감소시킨다.Another advantage of the present invention is that the ESL (Effective Series Inductance) is very low. The short distance from the capacitor to the switch lowers the inductance, reducing the voltage overshoot by the switch device when the switch device is turned off.

저 ESL에 의해 제공된 다른 하나의 장점은 파워 반도체 스위치의 터미널을 가로지르는 부가 스너버(snubber) 커패시터가 필요 없을 수 있다는 것이다.Another advantage provided by low ESL is that there may be no need for an additional snubber capacitor across the terminals of the power semiconductor switch.

본 발명의 다른 하나의 장점은 ESR[Effective Series Resistance]이 매우 낮다는 것이다. 커패시터 내의 보다 일정한 전류 밀도는 하부 ESR처럼 반사되는 가열을 감소시킨다.Another advantage of the present invention is that the ESR (Effective Series Resistance) is very low. The more constant current density in the capacitor reduces the reflected heating like the lower ESR.

본 발명의 다른 하나의 장점은 간이화된 접속 버스 구조가 가능하며 중량, 볼륨 및 비용이 감소되도록 상기 접속 버스 구조가 디자인될 수 있다는 것이다. Another advantage of the present invention is that a simplified connection bus structure is possible and the connection bus structure can be designed such that weight, volume and cost are reduced.

본 발명의 다른 하나의 장점은 커패시터에 접속된 파워 반도체 스위치가 커패시터의 중공의 중앙 내에 배치될 수 있고, 상기 커패시터의 전류가 보다 동일하게 분포되도록 구성될 수 있다는 것이다. 본 발명의 장점은 중앙 영역이 파워 반도체 스위치를 배치시키는데 효과적인 위치이고 인버터의 파워 밀도를 증대시킨다는 것이다.Another advantage of the present invention is that a power semiconductor switch connected to the capacitor can be arranged in the center of the hollow of the capacitor, and can be configured such that the current of the capacitor is more equally distributed. An advantage of the present invention is that the central region is an effective location for placing the power semiconductor switch and increases the power density of the inverter.

본 발명의 다른 하나의 장점은, 한 쌍의 4개의 코너 버스 플레이트가 비용, 볼륨 및 중량을 감소시키기 위하여, 도 8에 도시된 바와 같이 3개의 반도체 스위치와 DC 인풋으로 구성되는 방식으로 배치될 수 있다는 것이다.Another advantage of the present invention is that a pair of four corner bus plates can be arranged in a manner consisting of three semiconductor switches and a DC input as shown in FIG. 8 to reduce cost, volume and weight. Is there.

도 8에 구체화되어 있는 본 발명의 다른 하나의 장점은 환형 커패시터가 간이한 기술로 제조되어, 비용을 낮출 수 있고 반복성(repeatapility)을 향상시킬 수 있다.Another advantage of the present invention as embodied in FIG. 8 is that the annular capacitor can be manufactured with a simple technique, which can lower the cost and improve the repeatapility.

도 1은 본 발명에 따라 구성된 단일의 전력 변환 요소를 구비한 환형 커패시터의 평면도이다.
도 1b는 도 1의 커패시터의 측단면도이다.
도 2는 저온 상승하도록 구성된 단일의 전력 변환 요소를 구비한 환형 커패시터의 평면도이다.
도 3은 저 인덕턴스 및 저 커패시터 온도 상승하도록 구성된 3개의 전력 변환 요소를 구비한 환형 커패시터의 평면도이다.
도 4는 조립체의 일부를 도시하고 있고, 중앙 구멍에 장착되고 냉각판에 부착된 반도체 스위칭 다이의 접속을 상세하게 나타낸 환형 커패시터[통합된 커패시터/스위치 조립체]의 측단면도이다.
도 5는 조립체의 일부를 나타내며, 중앙 구멍에 장착되고 냉각판으로부터 전기 절연되는 반도체 스위칭 다이의 접속을 상세하게 나타낸 환형 커패시터[통합된 커패시터/스위치 조립체]의 측단면도이다.
도 6은 저 인덕턴스 및 저온 상승을 위해 외측 엣지 주위에 동일하게 이격된 3개의 전력 변환 요소를 구비한 환형 커패시터의 평면도이다.
도 7은 3개의 전력 변환 요소와 DC 인풋이 공간 효율적으로 배치된 상태의, 환형 커패시터의 평면도이다.
도 8은 상세한 구별을 위해 확대된 사시도를 포함하고 있는, 커패시터, 3개의 전력 변환 요소 및 DC 인풋 사이에 편리한 접속을 제공하는 오프셋 버스 플레이트로 보다 상세히 도시된, 도 7의 환형 커패시터의 평면도이다.
도 9는 DC 인풋이 중앙 구멍에 위치되어, 저 인덕턴스와 저온 상승을 위해 외측 엣지 주위에 동일하게 이격된 3개의 전력 변환 요소를 구비한 환형 커패시터의 평면도이다. 1 is a plan view of an annular capacitor with a single power conversion element constructed in accordance with the present invention.
1B is a side cross-sectional view of the capacitor of FIG. 1.
2 is a plan view of an annular capacitor with a single power conversion element configured to rise cold.
3 is a plan view of an annular capacitor having three power conversion elements configured to rise in low inductance and low capacitor temperature.
4 is a side cross-sectional view of an annular capacitor (integrated capacitor / switch assembly) showing a portion of the assembly and detailing the connection of the semiconductor switching die mounted in the central hole and attached to the cold plate.
FIG. 5 is a side cross-sectional view of an annular capacitor (integrated capacitor / switch assembly) showing a portion of the assembly and detailing the connection of the semiconductor switching die mounted in the central hole and electrically insulated from the cooling plate.
6 is a plan view of an annular capacitor having three power conversion elements equally spaced around the outer edge for low inductance and low temperature rise.
7 is a plan view of an annular capacitor, with three power conversion elements and a DC input disposed in a space efficient manner.
FIG. 8 is a top view of the annular capacitor of FIG. 7, shown in more detail with an offset bus plate that provides a convenient connection between a capacitor, three power conversion elements, and a DC input, including an enlarged perspective view for detailed distinction.
9 is a plan view of an annular capacitor with three power conversion elements with DC inputs located in the center hole and equally spaced around the outer edge for low inductance and low temperature rise.

단일의 전력 변환 요소를 갖는 금속화 필름 중합의 환형 커패시터가 도 1에 도시되어 있다. 환형 커패시터 몸체(101)는 상기 전력 변환 요소의 상부 터미널(104), 하부 터미널(103) 및 아웃풋 터미널(105)에 대한 필요한 공간에 정확한 사양으로 전력 변환 요소(102)가 끼워맞춰질 수 있는 가변 중앙 구멍 반경을 갖는다. 도 1에 있어서, 터미널은 전형적인, 상업적으로 이용가능한 전력 변환 요소로 최단 경로가 가능하도록 위치된다. 환형 커패시터의 외측 반경과 두께는 전력 변환 인가에 필요한 커패시턴스를 달성하도록 선택될 수 있다. 환형 커패시터의 두께가 도 1b에 나타나 있다(address). 환형 커패시터(101)의 깊이가 전력 변환 요소(102)의 높이와 맞춰지게 되어, 터미널(103 및 104)이 커패시터와의 접속을 위해 최단 거리를 유지하고, 이에 따라 상기와 같은 구성에 가능한 접속 인덕턴스가 최저가 되게 할 수 있다. 전력 변환 요소가 커패시터 중앙 구멍 내에 유사하게 수용될 수 있는 현재 또는 향후 상업적으로 이용가능한 많은 전력 변환 요소 중 단지 하나만 도시되었다는 것을 알 수 있을 것이다.An annular capacitor of metallization film polymerization with a single power conversion element is shown in FIG. 1. The annular capacitor body 101 has a variable center in which the power conversion element 102 can be fitted with precise specifications to the required space for the upper terminal 104, lower terminal 103 and output terminal 105 of the power conversion element. Has a hole radius. In Figure 1, the terminal is positioned to enable the shortest path to a typical, commercially available power conversion element. The outer radius and thickness of the annular capacitor can be selected to achieve the capacitance required for power conversion application. The thickness of the annular capacitor is shown in Figure 1b. The depth of the annular capacitor 101 is matched with the height of the power conversion element 102 such that the terminals 103 and 104 maintain the shortest distance for the connection with the capacitor, and thus the connection inductance possible for such a configuration. Can be the lowest price. It will be appreciated that only one of many current or future commercially available power conversion elements in which the power conversion element may be similarly accommodated in the capacitor center opening is shown.

도 2에 도시된 환형 커패시터는 커패시터 몸체(101)의 중앙 구멍에 위치한 단일의 전력 변환 요소(102)를 포함하고 있다. 본 실시예에서의 상부 터미널(104)과 하부 터미널(103)은 링 주위에서 동일한 간격으로 분포되어 있다. 이러한 배치는 최단 접속 경로를 제공하지 않지만, 환형 커패시터 온도 상승을 감소시킬 커패시터 전류를 보다 잘 분배시킬 것이다. 다시 말하자면, 환형 커패시터의 깊이는 도 1b에 도시된 바와 같이, 전력 변환 요소의 높이와 맞춰질 것이다. 따라서, 커패시터의 두께와 내측 반경이 결정되고, 외측 반경은 필요한 커패시턴스를 만들도록 변경될 것이다. 실제로, 절충안이 터미널 배치와 관련하여 반드시 만들어져야 하며, 이는 온도 상승 대 저 접속 인덕턴스에 관한 인가에 보다 중요하다. 커패시터 폭/형상 변화가 행해질 수 있는 한편, 전류 밀도가 커패시터 내에서 보다 일정하게 유지될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.The annular capacitor shown in FIG. 2 includes a single power conversion element 102 located in the central hole of the capacitor body 101. The upper terminal 104 and the lower terminal 103 in this embodiment are distributed at equal intervals around the ring. This arrangement does not provide the shortest connection path, but will better distribute the capacitor current which will reduce the annular capacitor temperature rise. In other words, the depth of the annular capacitor will match the height of the power conversion element, as shown in FIG. 1B. Thus, the thickness and inner radius of the capacitor are determined and the outer radius will be changed to create the required capacitance. Indeed, compromises must be made in terms of terminal placement, which is more important for the application of temperature rise versus low connection inductance. It will be appreciated that while capacitor width / shape changes can be made, the current density can be kept more constant within the capacitor.

본 출원에 따른 하나 이상의 전력 변환 요소를 사용하는 것이 유리하다. 커패시터 온도 상승 및 접속 인덕턴스를 최소화하는 3상 인버터용 3점 접속 방법의 일예가 도 3에 도시되어 있다. 전력 변환 요소(102)는 환형 커패시터 몸체(101)의 내측 구멍 내에 위치된다. 내측 구멍의 반경은 사용된 구성요소의 크기에 의해 결정된다. 이러한 실시예에 있어서, 구성요소가 커패시터 전류를 보다 잘 분포시키도록 위치된다. 이러한 구성은 환형 커패시터에서의 온도 상승을 최소화시킬 것이다. 또한, 도 1b에 도시된 바와 같이, 링의 깊이를 구성요소의 높이와 맞추게 되면, 터미널(104 및 103)의 접속에 최단 경로를 사용할 수 있다는 장점이 있고 이에 따라 또한 접속 인덕턴스를 가장 저하시킬 수 있다. 임의 갯수나 크기의 상업적으로 이용가능하고 유사하게 수용될 수 있는 전력 변환 요소의 실시예로 구성요소가 도시되어 배치되었다는 것을 알 수 있을 것이다.It is advantageous to use one or more power conversion elements according to the present application. An example of a three point connection method for a three phase inverter that minimizes capacitor temperature rise and connection inductance is shown in FIG. 3. The power conversion element 102 is located in the inner hole of the annular capacitor body 101. The radius of the inner hole is determined by the size of the components used. In this embodiment, the components are positioned to distribute the capacitor current better. This configuration will minimize the temperature rise in the annular capacitor. In addition, as shown in FIG. 1B, matching the depth of the ring with the height of the component has the advantage that the shortest path can be used for the connection of terminals 104 and 103 and thus also the lowest connection inductance. have. It will be appreciated that the components are shown and arranged in an embodiment of any number or size of commercially available and similarly acceptable power conversion elements.

도 4는 커패시터 및 반도체 스위치가 단일 유닛에 통합되어, 별도의 상업적으로 이용가능한 패키지된 전력 변환 요소를 사용하는 것보다 공간 효율성이 보다 뛰어나다는 것을 나타내기 위한 일 실시예의 단면도이다. 반도체 스위칭 다이(106A 및 106B)가 부분적으로 또는 전체적으로 나타나 있고 상기 반도체 스위칭 다이는 상업적으로 패키지된 반도체 장치[도 3에 개략적으로 도시됨, 부재번호 102] 내에 통상적으로 수용될 것이다. 구성요소가 환형 커패시터(101)의 중앙 구멍에 위치된다. 이러한 실시예에 있어서, 하나의 반도체 스위칭 다이(106A)가 냉각판(109)에 직접적으로 접속되고, 이 결과 상기 냉각판이 커패시터의 하부면과 직접적으로 접속된다. 이는 이전 도면에서 언급한 바와 같이 실제 하부 터미널이다. 냉각판과 제 1 반도체 스위칭 다이(106A)가 연결된 상태에서, 제 2 반도체 스위칭 다이(106B)가 전기 능동형 냉각판과 전기 절연될 필요가 있다. 이러한 구성은 열 전도성 전기 절연재(108) 층으로 달성된다. 이러한 반도체 스위칭 다이(106B)는 커패시터의 상부면(111)과 연결되며 이전 도면에서 언급한 바와 같이 실제 상부 터미널이다. 반도체 스위칭 다이(106B)가 작은 전도성 구리판(107)에 의해 아웃풋 터미널(105)과 접속된다. 스위치 반도체 구동 및 귀로 접합 와이어(110)와, 복수의 에미터 접합 와이어(113)가 도면에 보다 명확하게 나타나도록 도시되어 있다. 당업자에게 명확한 전력 변환 요소의 일부만이 도시되었다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, 임의 갯수의 구성요소가 도 4에 도시되어 나타난 링 내에서 설치(craft)되어 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 4 is a cross-sectional view of one embodiment to show that the capacitor and the semiconductor switch are integrated into a single unit so that the space efficiency is better than using a separate commercially available packaged power conversion element. Semiconductor switching dies 106A and 106B are shown in part or in whole and the semiconductor switching dies will typically be housed in a commercially packaged semiconductor device (shown schematically in FIG. 3, reference numeral 102). The component is located in the central hole of the annular capacitor 101. In this embodiment, one semiconductor switching die 106A is directly connected to the cold plate 109, which results in the cold plate being directly connected to the lower surface of the capacitor. This is the actual bottom terminal as mentioned in the previous figure. With the cold plate and the first semiconductor switching die 106A connected, it is necessary for the second semiconductor switching die 106B to be electrically insulated from the electrically active cold plate. This configuration is achieved with a layer of thermally conductive electrical insulation 108. This semiconductor switching die 106B is connected to the upper surface 111 of the capacitor and is the actual upper terminal as mentioned in the previous figure. The semiconductor switching die 106B is connected to the output terminal 105 by a small conductive copper plate 107. The switch semiconductor drive and return junction wires 110 and the plurality of emitter junction wires 113 are shown to be more clearly shown in the drawings. It will be appreciated by those skilled in the art that only some of the power conversion elements are shown. It will also be appreciated that any number of components can be crafted and used within the ring shown in FIG. 4.

도 5는 커패시터 및 반도체 스위치가 단일 유닛에 통합되어, 별도의 상업적으로 이용가능한 패키지된 전력 변환 요소를 사용하는 것보다 공간 효율성이 보다 뛰어나다는 것을 나타내기 위한 다른 한 실시예의 단면도이다. 반도체 스위칭 다이(106A 및 106B)가 부분적으로 또는 전체적으로 도시되어 있으며, 상기 반도체 스위칭 다이는 상업적으로 패키지된 반도체 장치[도 3에 개략적으로 도시됨, 부재번호 102] 내에 통상적으로 수용될 수 있다. 구성요소가 환형 커패시터(101)의 중앙 구멍에 위치된다. 이러한 실시예에 있어서, 열 전도성 전기 절연층(108)이 커패시터(101)와 냉각판(109) 사이의 전체 표면을 커버한다. 작은 전도성 판(114)에 의해, 커패시터와 접속된 반도체 스위칭 다이(106A)는 이전 도면에서 언급한 바와 같이 실제 하부 터미널이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 반도체 스위칭 다이(106B)는 커패시터의 상부면(111)과 연결되고 이전 도면에서 언급한 바와 같이 실제 상부 터미널이다. 반도체 스위칭 다이(106B)가 작은 전도성 구리판(107)에 의해 아웃풋 터미널(105)과 접속된다. 스위치 반도체 구동 및 귀로 접합 와이어(110)와, 복수의 에미터 접합 와이어(113)가 도면에 보다 명확하게 나타나도록 도시되어 있다. 당업자에게 잘 알려진 전력 변환 요소의 일부만이 도시되었다는 것을 알 수 있을 것이다. 더욱이 임의 갯수의 구성요소가 도 5에 도시되어 나타난 링 내에서 설치되어 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.FIG. 5 is a cross-sectional view of another embodiment to show that the capacitor and the semiconductor switch are integrated into a single unit, resulting in greater space efficiency than using a separate commercially available packaged power conversion element. Semiconductor switching dies 106A and 106B are shown in part or in whole, which may be typically housed in a commercially packaged semiconductor device (shown schematically in FIG. 3, reference numeral 102). The component is located in the central hole of the annular capacitor 101. In this embodiment, the thermally conductive electrically insulating layer 108 covers the entire surface between the capacitor 101 and the cold plate 109. By means of the small conductive plate 114, the semiconductor switching die 106A connected with the capacitor is the actual bottom terminal as mentioned in the previous figure. As shown in FIG. 4, the semiconductor switching die 106B is connected to the upper surface 111 of the capacitor and is the actual upper terminal as mentioned in the previous figure. The semiconductor switching die 106B is connected to the output terminal 105 by a small conductive copper plate 107. The switch semiconductor drive and return junction wires 110 and the plurality of emitter junction wires 113 are shown to be more clearly shown in the drawings. It will be appreciated that only some of the power conversion elements that are well known to those skilled in the art are shown. It will further be appreciated that any number of components may be installed and used within the ring shown in FIG. 5.

전력 변환 요소(102)가 커패시터(101)의 외측 원주부 주위에서 냉각판(109) 상에 분포되는 상이한 실시예가 도 6에 도시되어 있다. 도시된 3상 인버터 실시예에 있어서, 최종 커패시터 전류 분포는 커패시터 외측 원주부 주위에 대칭적으로 이격되는 것이다. 이는 보다 작은 링 직경을 갖는 도 1 - 도 5에 도시된 실시예에서와 같이 동일한 커패시턴스 값을 만들어낼 것이다. 또한, 도 1b에 도시된 바와 같이, 링의 높이를 구성요소의 높이와 맞추면, 터미널(104 및 103)의 최단 접속 길이가 가능해 인덕턴스가 낮아진다. 터미널(103 및 104)의 접속 길이는 도 3에 도시된 실시예에서 보다 이러한 실시예에서 보다 약간 짧다는 것을 알 수 있을 것이다. 구성요소가 임의 갯수나 크기의 상업적으로 이용가능한 전력 변환 요소의 일 실시예로 도시된 배치가 가능하며, 상기 전력 변환 요소는 보다 일정한 전류 밀도를 임의의 전력 변환 인가용 커패시터 내에서 달성하기 위해 상기 커패시터 주위에 유사하게 위치될 수 있다. A different embodiment in which the power conversion element 102 is distributed on the cold plate 109 around the outer circumference of the capacitor 101 is shown in FIG. 6. In the three phase inverter embodiment shown, the final capacitor current distribution is one that is symmetrically spaced around the outer circumference of the capacitor. This will produce the same capacitance value as in the embodiment shown in FIGS. 1-5 with a smaller ring diameter. In addition, as shown in FIG. 1B, matching the height of the ring with the height of the component allows for the shortest connection length of the terminals 104 and 103 resulting in lower inductance. It will be appreciated that the connection length of terminals 103 and 104 is slightly shorter in this embodiment than in the embodiment shown in FIG. It is possible to place the components as shown in one embodiment of any number or size of commercially available power conversion elements, wherein the power conversion elements are adapted to achieve a more constant current density in any power conversion application capacitor. It may be similarly located around the capacitor.

도 7의 폐쇄 라인(117)은 스위칭 반도체(102)가 환형 커패시터(101) 주위에 배치되는 것을 제시한다. 이는 전력 변환 외피부 볼륨의 보다 공간 효율적인 사용을 가능하게 한다. 도시된 경우와 같이, 커패시터의 외측 주변부는 전력 변환 요소와 DC 인풋 사이에서 동일하게 나뉘어질 수 있다. DC 인풋 터미널(115A 및 115B)이 하나의 4분원에 위치되고, 3개의 전력 변환 요소(102)가 나머지 3개의 4분원에 위치된다. 스위칭 구성요소(102)가 도 6에 도시된 바와 같이 전체 커패시터(101) 주위에 고르게 분포되지 않았지만, 최종 커패시터 전류 분포가 도 1에 도시된 것보다 상당히 더 일정할 것이고, 상당한 공간 효율성 장점에 대한 저하(trade off)가 최소일 것이다. 다시 말하자면, 링의 깊이가 구성요소의 높이와 맞춰져서, 상부 터미널(104) 및 하부 터미널(103)은 접속 길이가 짧아진다는 잠정을 갖는다[저 인덕턴스]. 3상 인버터 및 단일의 인풋 터미널 쌍이 도면에 도시되어 있는 한편, 임의 갯수의 구성요소나 또는 DC 인풋 터미널 쌍이 임의의 주어진 공간 효율적인 배치로 상기 기재한 장점을 얻도록 유사하게 분포될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 환형 커패시터의 내측 반경과 외측 반경, 및 깊이가 상기 기재한 바와 같은 본 출원의 요구조건과 구성요소에 의해 결정될 것이다.The closed line 117 of FIG. 7 shows that the switching semiconductor 102 is disposed around the annular capacitor 101. This allows for more space efficient use of the power conversion envelope volume. As shown, the outer periphery of the capacitor can be equally divided between the power conversion element and the DC input. DC input terminals 115A and 115B are located in one quadrant, and three power conversion elements 102 are located in the other three quadrants. Although the switching component 102 is not evenly distributed around the entire capacitor 101 as shown in FIG. 6, the final capacitor current distribution will be considerably more constant than that shown in FIG. 1 and for significant space efficiency advantages. Trade off will be minimal. In other words, the depth of the ring is matched with the height of the component, so that the upper terminal 104 and the lower terminal 103 have a provision that the connection length becomes short (low inductance). While a three phase inverter and a single input terminal pair are shown in the figures, it can be seen that any number of components or DC input terminal pairs can be similarly distributed to achieve the advantages described above in any given space efficient arrangement. There will be. The inner and outer radii and depth of the annular capacitor will be determined by the requirements and components of the present application as described above.

또한, 도 8은 도 7에 기재된 바와 같은 구성요소의 효과적인 공간 배치를 도시하고 있다. 폐쇄 라인(117)은 공간을 형성한다. 커패시터(101)는 2개의 버스 플레이트 사이에서 샌드위치 된다. 상부 버스 플레이트(118)는 전력 변환 요소의 양극 터미널과 양극 DC 인풋(115A)을 접속하는데 편리한 방식을 제공한다. 하부 버스 플레이트(119)는 전력 변환 요소의 음극 터미널과 음극 DC 인풋(115B)을 접속하는데 편리한 방식을 제공한다. 내측 반경과 외측 반경, 및 환형 커패시터의 깊이는 상기 기재한 바와 같은 본 출원의 요구조건과 사용된 구성요소에 의해 결정될 것이다. 전력 변환 요소(102), 커패시터(101), 그리고 상부 및 하부 버스 플레이트(118 및 119) 사이의 접속이 도 8에 확대되어 사시도로 상세하게 도시되어 있다.In addition, FIG. 8 illustrates an effective spatial arrangement of the components as described in FIG. 7. The closed line 117 forms a space. The capacitor 101 is sandwiched between two bus plates. The upper bus plate 118 provides a convenient way to connect the positive terminal of the power conversion element and the positive DC input 115A. The lower bus plate 119 provides a convenient way to connect the negative terminal of the power conversion element and the negative DC input 115B. The inner and outer radii, and the depth of the annular capacitor, will be determined by the requirements of the present application as described above and the components used. The connection between the power conversion element 102, the capacitor 101, and the upper and lower bus plates 118 and 119 is enlarged in FIG. 8 and shown in detail in a perspective view.

도 9에 도시된 바와 같이, 조립체로의 DC 인풋은 접속점이 동일하게 분포된 상태에서, 커패시터(101)의 중앙 구멍을 통해 부착될 수 있다. 양극 DC 인풋(115A)이 커패시터의 어느 한 측에 부착되고, 음극 DC 인풋(115B)이 상기 커패시터의 다른 한 측에 부착된다. 전력 변환 요소(102)가 도 6에 대해 기재된 바와 같은 장점을 갖도록 주변부 주위에 분포된다. 커패시터 저온 상승의 장점을 더욱 증대시키기 위하여, 조립체로의 음극 DC 인풋(115B)이 인풋 접속부로서 냉각판(109)을 사용하여 접속될 수 있고, 이에 따라 커패시터 면을 가로질러 전류를 동일하게 분포시킨다. 양극 DC 인풋(115A)이 상기와 같이 접속될 것이다. 결국, DC 인풋 접속부는 커패시터의 내측 원주부 전체에 부착된 디스크 형상을 취할 수 있다. 도면에는 3상 인버터가 도시되어 있지만, 임의 갯수의 전력 변환 요소가 중앙에 위치된 DC 인풋 주위에 유사하게 분포되어 커패시터에서의 총 온도 상승을 최소화할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 내측 반경과 외측 반경, 및 환형 커패시터의 깊이는 상기 기재한 바와 같은 본 출원의 요구조건과 사용된 구성요소에 의해 결정될 것이다.As shown in FIG. 9, the DC input to the assembly may be attached through the center hole of the capacitor 101 with the connection points distributed equally. A positive DC input 115A is attached to either side of the capacitor and a negative DC input 115B is attached to the other side of the capacitor. The power conversion element 102 is distributed around the periphery to have the advantage as described for FIG. 6. To further enhance the advantages of capacitor cold rise, negative DC input 115B to the assembly can be connected using cold plate 109 as input connection, thus equally distributing current across the capacitor face. . The positive DC input 115A will be connected as above. As a result, the DC input connection may take the form of a disk attached to the entire inner circumference of the capacitor. While a three phase inverter is shown in the figure, it will be appreciated that any number of power conversion elements may be similarly distributed around a centrally located DC input to minimize the total temperature rise at the capacitor. The inner and outer radii, and the depth of the annular capacitor, will be determined by the requirements of the present application as described above and the components used.

본 발명의 특징적인 구성만이 본 명세서에 기재되어 있지만, 당업자라면 본 발명에 대한 여러 변경 및 수정이 본 발명의 범주 내에서 행해질 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명에 대한 모든 변경 및 수정이 본 발명의 첨부된 청구범위의 범주 내에 포함된다는 것을 알 수 있을 것이다.Although only characteristic configurations of the invention are described herein, those skilled in the art will recognize that various changes and modifications to the invention can be made within the scope of the invention. Accordingly, it will be appreciated that all changes and modifications to the present invention are included within the scope of the appended claims of the present invention.

Claims

An electrical assembly consisting of a wound film capacitor in the form of an annular ring, the outer diameter of the annular ring being substantially greater than the thickness of the annular ring, wherein electrically conductive contacts are located on both ends of the capacitor, and at least one power control An inner diameter is selected to receive a component, wherein the power control component is located within the inner diameter of the capacitor, and the power control component is electrically connected on the contact portion and the capacitor. An electrical assembly consisting of a wound film capacitor taken.

The method according to claim 1,
The thickness of the capacitor is a connection path between electrical contacts located on both ends of the capacitor and the one or more power control components located within the inner diameter of the capacitor to minimize the total inductance of the formed electrical circuit. Is selected to be the shortest electrical assembly consisting of a wound film capacitor in the form of an annular ring.

The method according to claim 2,
The electrical connection between at least one of the power control components and the electrical contacts of the capacitor is achieved using a method selected from a list comprising, for example, a printed circuit board or electrically and thermally conductive cold plates. An electrical assembly consisting of a wound film capacitor in the form of a ring.

The method according to claim 2,
The connection point from each of the power control components to the electrical contacts on the capacitor is spaced at regular intervals around the inner circumference of the capacitor to reduce the temperature rise caused by the current through the capacitor. And an wound film capacitor in the form of an annular ring.

The method according to claim 2,
At least one thermally and electrically conductive plate allows electrical and thermal connection at one or both ends of the capacitor, and the power control component is suitably positioned to maintain the complete function of the assembly. An electrical assembly consisting of a wound film capacitor taken in form.

The method according to claim 2,
An electrically insulating and thermally conductive layer is positioned between at least one thermally and electrically conductive plate such that one end or both ends of the capacitor and the thermally and electrically conductive plate are electrically insulated, and the power control component is mounted on the An electrical assembly consisting of a wound film capacitor in the form of an annular ring, which is suitably positioned to maintain the complete function of the assembly.

The method according to claim 2,
One or more electrical contacts on each end face of the capacitor are wound equally around the inner circumference of the capacitor to reduce the temperature rise of the capacitor. Electrical assembly.

The method according to claim 2,
At least one electrically and thermally conductive endplate is connected with both end faces of the capacitor, the endplate is substantially larger than the end face of the capacitor, the endplates are positioned offset from each other, and the endplate is A tab or flange extending beyond the outer diameter of the outer circumference of the capacitor for the purpose of connecting with a power control component, the power control component having the end in such a manner as to maintain a complete function of the assembly. An electrical assembly consisting of a wound film capacitor in the form of an annular ring, which is fixed to a plate.

The method according to claim 8,
The electrical assembly is designed to control direct current power flow and alternating current power flow, and the direct current induced into the assembly is one on the endplate to optimize heat dissipation from the combination of AC current and DC current in the electrical assembly. An electrical assembly comprising a wound film capacitor in the form of an annular ring, characterized in that it is connected to the above tab or flange.

The method according to claim 9,
Wherein said endplate is secured to one or more thermally conductive cold plates using electrically insulating and thermally conductive layers.

The method according to claim 2,
Direct current is led to the assembly through an electrical connection located inside the inner diameter on the first end face of the capacitor, direct current is removed from the assembly through an electrical connection located inside the inner diameter on the second end face of the capacitor, The direct current contact point is distributed equally around the inner circumference of the capacitor, and the direct current contact is selected from a list comprising for example a disk-shaped continuous electrode or an array of electrical tabs. An electrical assembly consisting of a wound film capacitor taken.

The method according to claim 2,
Direct current is removed from or directed to the assembly through electrical connections formed by electrically and thermally conductive cooling plates disposed in contact with one end of the capacitor, and electrical connections located within the inner diameter on both ends of the capacitor. Direct current is led to or removed from the assembly, the direct current contact points are equally distributed around the inner circumference of the capacitor, and the direct current contact portion is for example a disk-shaped continuous electrode or an array of electrical tabs. An electrical assembly consisting of a wound film capacitor in the form of an annular ring, characterized in that it is selected from a list including.

An electrical assembly consisting of a wound film capacitor in the form of an annular ring, the outer diameter of the annular ring being greater than the thickness of the annular ring, the electrically conductive contacts being located on both ends of the capacitor, and having at least one power control configuration. And an element distributed around the outer circumference of the capacitor ring, and wherein the power control component is in electrical connection with the contact portion on the capacitor.

The method according to claim 13,
The thickness of the capacitor is a connection between an electrical contact located on both ends of the capacitor and one or more of the power control components located around the outer circumference of the capacitor to minimize the total inductance of the formed electrical circuit. An electrical assembly consisting of a wound film capacitor in the form of an annular ring, characterized in that the path is selected to be the shortest.

The method according to claim 14,
Wherein the electrical connection between the electrical contact of the capacitor and one or more of the power control components is achievable using a method selected from a list comprising, for example, a printed circuit board or electrically and thermally conductive cold plates. An electrical assembly consisting of a wound film capacitor in the form of a ring.

The method according to claim 14,
The connection points from each of the power control components to the electrical contacts on the capacitor are spaced at regular intervals around the outer circumference of the capacitor to reduce the temperature rise caused by the current passing through the capacitor. And an wound film capacitor in the form of an annular ring.

The method according to claim 14,
At least one thermally and electrically conductive plate allows electrical and thermal connection at one or both ends of the capacitor and the power control component is suitably positioned to maintain the complete function of the assembly. An electrical assembly consisting of a wound film capacitor in the form of.

The method according to claim 14,
An electrically insulating and thermally conductive layer is positioned between the at least one thermally and electrically conductive plate such that one end or both ends of the capacitor and the thermally and electrically conductive plate are electrically insulated, and the power control component is An electrical assembly consisting of a wound film capacitor in the form of an annular ring, which is suitably positioned to maintain the complete function of the assembly.

The method according to claim 14,
One or more electrical contacts on each end face of the capacitor are wound equally around the outer circumference of the capacitor to reduce the temperature rise of the capacitor. Electrical assembly.

The method according to claim 14,
At least one electrically and thermally conductive endplate is connected to both end faces of the capacitor, the endplate is substantially larger than the end face of the capacitor, the endplates are positioned to be offset relative to each other, and the endplate is A tab or flange extending beyond the outer diameter of the outer circumference of the capacitor for connection with a power control component, and the power control component is connected to the endplate in a manner that maintains the full functionality of the assembly. An electrical assembly consisting of a wound film capacitor in the form of an annular ring, characterized in that it is fixed.

The method of claim 20,
The electrical assembly is designed to control direct current power flow and alternating current power flow, and the direct current induced into the assembly is adapted to optimize heat dissipation from the combination of direct current and alternating current in the electrical assembly. An electrical assembly consisting of a wound film capacitor in the form of an annular ring characterized in that it is connected with a tab or a flange.

The method according to claim 21,
Wherein said endplate is secured to one or more thermally conductive cold plates using electrically insulating and thermally conductive layers.

The method according to claim 14,
Direct current is led to the assembly through an electrical connection located in the inner diameter on the first end face of the capacitor, direct current is removed from the assembly through an electrical connection located in the inner diameter on the second end face of the capacitor, and a direct current contact point Is wound equally around the inner circumference of the capacitor, and the wound contact takes the form of an annular ring, characterized in that the direct current contact is selected from a list comprising for example a disk-shaped continuous electrode or an array of electrical tabs. An electrical assembly consisting of a film capacitor.

The method according to claim 14,
Electrical connections are removed from or directed to the assembly through electrical connections formed by electrically and thermally conductive cooling plates disposed in contact with one end of the capacitor, the electrical connections being located in inner diameters on both ends of the capacitor. Direct current is led to or removed from the assembly, the direct current contact points are equally distributed around the inner circumference of the capacitor, and the direct current contact portion is for example an array of continuous electrodes or electrical tabs in the form of disks. And an wound film capacitor in the form of an annular ring.